高船齡船舶應對現有船舶能效指數案例分析

2023-08-18 05:41:58吳四川

船海工程 2023年4期

吳四川

(招商局工業集團有限公司,廣東深圳 518000)

國際海事組織(IMO)的目標是到2030年將航運業的碳強度至少降低40%,并希望到2050年可以比2008年的碳排放水平降低約70%[1]。為了實現這一戰略目標,IMO先后實施了一系列措施來引導行業實現減少溫室氣體排放的目標,如引入新造船能效設計指數(EEDI),氮氧化物(NOx)及硫氧化物(SOx)的相關規定。考慮到具大的現有船舶數量及每年龐大的碳排放量,國際海事組織于2012年又增加了現有船舶能效指數(energy efficiency existing ship index, EEXI)和碳排放指數(carbon intensity indicator, CII)用于對現有運營船舶的碳排放量進行有效的控制。其中,EEXI是對現有船舶需要達到的能效設計指數進行要求,而CII則是對船舶實際的運營能效進行評價[2-3]。

EEXI指數的要求適用于《MARPOL公約》附則VI規定的除去鉆井平臺、非動力船舶及破冰船等特殊船型外所有總噸超過400的船舶于2023年的第一個年度檢驗、中間檢驗或換證檢驗時(基于IAPP證書時間調整并以最早發生者為準),其EEXI指數必須達到2022年4月1日的設計能效指數(EEDI)水平,對部分種類和尺寸的船舶略有所放寬。根據Vessels Value的最新報告[4],截止2023年1月,全球有超過75%以上的油船、散貨船和集裝箱船無法達到該指標的要求。目前有諸多技術改進方法可以滿足現有船舶達到EEXI指數需求的目的,但是從實船,特別是眾多10～20年以上船齡的實船項目而言,能夠采用的高性價比方案其實并不多。為此,考慮以船齡達到16年的某5 300 TEU項目改裝為例,對適用于高船齡實船項目滿足EEXI指數改裝方案的可行性進行討論。

1 現有船舶的EEXI

1.1 EEXI簡介

EEXI適用于2023年1月1日之前交付或有重大改建、總噸在400及以上的散貨、液貨或集裝箱船等。適用EEXI指數的船舶需按照規定進行“達到EEXI(Attained EEXI)”計算并提供相關技術分析報告以便檢驗。

EEXI本質上參照了EEDI的思想,根據船舶固有技術參數并考慮主機限定功率后進行評估得到的能效指數。達到EEXI與達到EEDI的計算公式基本類似,參數選取也無很大差別,僅部分參數有所變化。

EEXIreq=(1-Y/100)EEDIref

(1)

式中:Y為折減系數,根據MEPC.328(76)的要求,Y基本等同于2022年4月1日生效的對新造船的要求(EEDI第二或第三階段,根據船型而定),對于部分船型有所放寬。

1.2 通用應對措施分析

就本質上EEXI與EEDI極為類似,原則上是對單位貨物載重噸和單位英里的二氧化碳排放量的計算,主要目的是明確與裝機主機功率、貨運量和航速相關的二氧化碳標準排放量,屬于一種設計指標而不是操作指標。

Attained_EEXI=

/(fifcflCapacity·fwVreffm)

(2)

基于式(2)的EEXI指數計算公式[5],可以看到對于EEXI指數影響最為重要的是船舶功率、參考航速、運載能力,以及創新機械能效這4個方面。因此,對于現有運營船舶而言,可以通過技術改造[6-7]對這4個方面的參數進行調整從而提升現有船舶EEXI指數的表現。

1)最為直接的方法是更換新能源主機,如改用甲醇、LNG或氨能源主機等。此類方法見效快、一勞永逸,但前期的時間和資金成本較高。

2)通過技術手段優化船舶的快速性能從而實現在相同推進功率下優化船舶的參考航速,提高EEXI表現。例如,采用低阻涂料、進行船體型線或附體優化、采用高效螺旋槳。此類方法需對船舶進行改造,必要時還需進行再次試航或水池試驗,所需成本因實施方案不同而有所差別。

3)通過技術手段產生電力從而減少輔助功率,提升EEXI表現。如加入廢熱回收裝置或太陽能電池光伏系統等。這種方法前期投入資金較大且受船型制約較大。

4)采用節能手段對創新機械能效技術功率進行扣除,從而提高船舶EEXI表現。如采用空氣潤滑系統、加裝節能附體或風力助航設備等,這類方法前期投入資金較高。

5)通過限制主機或軸功率的方式直接調整主機功率和參考航速等關鍵參數,從根本上提升EEXI指數,如安裝EPL和ShaPoLi等裝置,此類方法適用性較廣,時間和資金成本也可控。

6)通過改造船體結構的方式,重新核算船舶載重噸和總噸。這種方法需要對船舶結構進行大面積的改造或改裝,適用范圍很小,資金和時間成本也十分可觀。

2 高船齡船舶EEXI適用方法實例

目標船為1艘2006年交付的中型集裝箱船,由日本某船廠制造,主要船型參數見表1。

表1 主要船型參數一覽

2.1 高船齡船舶進行技術改進的難點

船舶作為一種運輸類產品,其設計具有很明顯的時代性,特別是以2008年為一個明顯的區分點。在2008年以前由于油價處于低位,對于船舶環保的要求也尚不規范,因此船型設計,特別是集裝箱船的船型設計普遍以高航速、高油耗、高載貨量為主,而自2008年原油價格大漲及2010年開始EEDI指數階段性實施,船型設計明顯呈現出低油耗、親環境等趨勢。

對于船齡在15年以上的船舶,服役時間幾乎過半,從船東或運營方的角度來看,盡管通過一定的技術改造,滿足EEXI要求,保證船舶運營的可持續性固然是必須做到的,但考慮到投資回報率,一般不會接受較大的資金成本的投入。同時,受制于租約或運營合同等限制,他們對需要長期進塢或技術改造后運營狀態發生較大改變的措施,也表現出明顯的猶疑。

與船東方討論并經初步詢價后得到的主要可行方案對比見表2。由表2可見,不同技術改造方案的資金和時間成本有較大區別,而且后續可能存在的潛在問題也有很大差異。

表2 主要可行實施方案對比

從投資回報率和資金回收周期的角度考慮,在本次的船舶改裝項目中,船東僅能接受加裝EPL裝置進行功率限制、降低航速并對球鼻艏進行改裝的組合方案。

2.2 主機或軸功率限制方案

根據MEPC.335(76)(《為符合EEXI要求的軸/發動機功率限制系統及使用儲備動力指南(2021)》),可以采取軸功率/主機功率限制措施來改善“達到EEXI”的方式以滿足船舶“規定EEXI指數”。

這也是目前性價比最高的技術改善措施。

限制功率與降功率是兩種不同的技術方法。降低功率一般是要經過技術改造升級,如調節壓縮比、優化噴油技術或優化排氣結構等,需要對發動機證書進行修改;而限制功率則是不對發動機本身進行任何技術革新,僅是安裝EPL等設備暫時限制發動機的能力,將一部分功率作為儲備功率,在緊急情況下仍可使用100%MCR的主機功率。

根據EEXI計算導則[8],簡化模型,裝機功率大于10 000 kW,無冰區加強、無軸帶發電機和軸帶馬達的船型計算,目標船舶需將主機功率限制在72.75% MCR(75% MCR·(1%～3%))方能通過改善“達到EEXI”的方式滿足“規定EEXI指數”,即在考慮船速降低(進速系數降低)的情況下,要求球鼻艏改裝至少要達到3.3%以上的減阻效果。

2.3 基于實際運營工況的球鼻艏優化設計

對于中高速船舶而言,球鼻艏減阻機理的核心是造成有利的波系干擾[9-10],因此對于吃水和航速十分敏感。

1)根據對主機功率限制后的航速計算,目標船舶降速將達到8 kn以上,原有的球鼻艏設計明顯與降速后的運營情況不匹配,需要進行再優化設計和改裝。

2)目標船舶實際運營工況繁雜,球鼻艏的改裝需是基于船東提供的實際運營工況(見表3)進行加權綜合優化后的設計方案。

表3 目標船實際運營工況 %

為了確保能夠兼顧船舶的實際運營工況,對于球鼻艏的改裝需要進行多目標多工況加權的最優化設計。

一般來說,對于船齡較短的船舶項目,船東在改裝時均可提供型線圖或三維船殼模型等用于優

化設計,而對于類似本目標對象這種高船齡船舶項目,大多數的船東僅能提供結構圖等有限的圖紙,因此在進行全參數化的模型復原時,較難保證模型復原的精度。為了解決這一難題,在應用商用軟件CAESES進行參數化建模復原的基礎上,采用三維掃描技術對船艏,特別是球鼻艏部分的船體外形進行掃描,在提升建模效率的基礎上,進一步保證對船艏部模型復原的精度,確保后續的生產設計出圖的可靠性,見圖1。